Study of biomacromolecule conformational changes by Scanning Force Microscopy

L?objectif de ce travail de thèse est l?étude des changements conformationels des biomacromolecules à l?échelle d?une molécule unique. Pour cela on a utilisé la Microscopie à Force Atomique (AFM) appliqué à l?étude des protéines et des acides nucléiques déposés sur une surface. Dans ce type de microscopie, une pointe très fine attachée à l?extrémité d?un levier est balayée au dessus d?une surface. L?interaction de la pointe avec la surface de l?échantillon induit la déflection du levier et ce phénomène permet de reconstruire la topographie de l?échantillon. Très importante dans cette technique est la possibilité de travailler en liquide. Cela permet de étudier les biomolécules en conditions quasi-physiologiques sans qu?elles perdent leur activité. On a étudié GroEL, la chaperonin de E.coli, qui est un homo oligomère avec une structure à double anneau qui joue un rôle très important dans le repliement des protéines dénaturées et celles qui viennent d?être synthétisées. En particulier on a focalisé notre attention sur la stabilité mécanique et sur les changements conformationels qui ont lieu pendant l?activité de GroEL. Une analyse détaillée des changements dans la stabilité mécanique et des effets produits par la liaison et l?hydrolyse de l?ATP est présentée dans ce travail. On a montré que le point le plus faible dans la structure de GroEL est l?interface entre les deux anneaux et que l?étape critique dans l?affaiblissement de la structure est l?hydrolyse de l?ATP. En ce qui concerne le changement conformationel, le passage d?une surface hydrophobe à hydrophile, induit par l?hydrolyse de l?ATP, a été montré. Ensuite on a étudié le changement dans la conformation et dans la topologie de l?ADN résultant de l?interaction avec des molécules spécifiques et en réponse à l?exposition des cellules de E.coli à des conditions de stress. Le niveau de surenroulement est un paramètre très sensible, de façon variée, à tous ces facteurs. Les cellules qui ont crus à de températures plus élevées que leur température optimale ont la tendance à diminuer le nombre de surenroulements négatif pour augmenter la stabilité thermique de leur plasmides. L?interaction avec des agents intercalant induit une transition d?un surenroulement négatif à un surenroulement positif d?une façon dépendante de la température. Finalement, l?effet de l?interaction de l?ADN avec des surfaces différentes a été étudié et une application pratique sur les noeuds d?ADN est présentée.<br/><br/>The aim of the present thesis work is to study the conformational changes of biomacromolecules at the single molecule level. To that end, Atomic Force Microcopy (AFM) imaging was performed on proteins and nucleic acids adsorbed onto a surface. In this microcopy technique a very sharp tip attached at the end of a soft cantilever is scanned over a surface, the interaction of the tip with the sample?s surface will induce the deflection of the cantilever and thus it will make possible to reconstruct the topography. A very important feature of AFM is the possibility to operate in liquid, it means with the sample immersed in a buffer solution. This allows one to study biomolecules in quasi-physiological conditions without loosing their activity. We have studied GroEL, the chaperonin of E.coli, which is a double-ring homooligomer which pays a very important role in the refolding of unfolded and newly synthetized polypeptides. In particular we focus our attention on its mechanical stability and on the conformational change that it undergoes during its activity cycle. A detailed analysis of the change in mechanical stability and how it is affected by the binding and hydrolysis of nucleotides is presented. It has been shown that the weak point of the chaperonin complex is the interface between the two rings and that the critical step to weaken the structure is the hydrolysis of ATP. Concerning the conformational change we have directly measured, with a nanometer scale resolution, the switching from a hydrophobic surface to a hydrophilic one taking place inside its cavity induced by the ATP hydrolysis. We have further studied the change in the DNA conformation and topology as a consequence of the interaction with specific DNA-binding molecules and the exposition of the E.coli cells to stress conditions. The level of supercoiling has been shown to be a very sensitive parameter, even if at different extents, to all these factors. Cells grown at temperatures higher than their optimum one tend to decrease the number of the negative superhelical turns in their plasmids in order to increase their thermal stability. The interaction with intercalating molecules induced a transition from positive to negative supercoiling in a temperature dependent way. The effect of the interaction of the DNA with different surfaces has been investigated and a practical application to DNA complex knots is reported.<br/><br/>Observer les objets biologiques en le touchant Schématiquement le Microscope a Force Atomique (AFM) consiste en une pointe très fine fixée a l?extrémité d?un levier Lors de l?imagerie, la pointe de l?AFM gratte la surface de l?échantillon, la topographie de celui-ci induit des déflections du levier qui sont enregistrées au moyen d?un rayon laser réfléchi par le levier. Ces donnés sont ensuit utilisés par un ordinateur pour reconstituer en 3D la surface de l?échantillon. La résolution de l?instrument est fonction entre autre de la dureté, de la rugosité de l?échantillon et de la forme de la pointe. Selon l?échantillon et la pointe utilisée la résolution de l?AFM peut aller de 0.1 A (sur des cristaux) a quelque dizaine de nanomètres (sur des cellules). Cet instrument est particulierment intéressant en biologie en raison de sa capacité à imager des échantillons immergés dans un liquide, c?est à dire dans des conditions quasiphysiologiques. Dans le cadre de ce travail nous avons étudié les changements conformationels de molécules biologiques soumises à des stimulations externes. Nous avons essentielment concentré notre attention sur des complexes protéiques nommé Chaperons Moléculaires et sur des molécules d?ADN circulaire (plasmides). Les Chaperons sont impliqués entre autre dans la résistance des organismes vivants aux stress thermiques et osmotiques. Leur activité consiste essentielment à aider les autres protéines à être bien pliés dans leur conformation finale et, en conséquence, à eviter que ils soient dénaturées et que ils puissent s?agréger. L?ADN, quant à lui est la molécule qui conserve, dans sa séquence, l?information génétique de tous les organismes vivants. Ce travail a spécifiquement concerné l?étude des changements conformationels des chaperonins suit a leur activation par l?ATP. Ces travaux ont montrés a l?échelle de molécule unique la capacité de ces protéines de changer leur surface de hydrophobique a hydrophilique. Nous avons également utilisé l?AFM pour étudier le changement du nombre des surenroulements des molécules d?ADN circulaire lors d?une exposition à un changement de température et de force ionique. Ces travaux ont permis de montrer comment la cellule regle le nombre de surenroulements dans ces molécules pour répondre et contrôler l?expression génétique même dans de conditions extrêmes. Pour les deux molécules en général, c?était très important d?avoir la possibilité de observer leur transitions d?une conformation a l?autre directement a l?échelle d?une seul molécule et, surtout, avec une résolution largement au dessous des la longueur d?onde de la lumière visible que représente le limite pour l?imagerie optique.

Genome-wide transcriptional responses to shade: Linking shade avoidance and auxin

Plants have the ability to use the composition of incident light as a cue to adapt development and growth to their environment. Arabidopsis thaliana as well as many crops are best adapted to sunny habitats. When subjected to shade, these plants exhibit a variety of physiological responses collectively called shade avoidance syndrome (SAS). It includes increased growth of hypocotyl and petioles, decreased growth rate of cotyledons and reduced branching and crop yield. These responses are mainly mediated by phytochrome photoreceptors, which exist either in an active, far-red light (FR) absorbing or an inactive, red light (R) absorbing isoform. In direct sunlight, the R to FR light (R/FR) ratio is high and converts the phytochromes into their physiologically active state. The phytochromes interact with downstream transcription factors such as PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR (PIF), which are subsequently degraded. Light filtered through a canopy is strongly depleted in R, which result in a low R/FR ratio and renders the phytochromes inactive. Protein levels of downstream transcription factors are stabilized, which initiates the expression of shade-induced genes such as HFR1, PIL1 or ATHB-2. In my thesis, I investigated transcriptional responses mediated by the SAS in whole Arabidopsis seedlings. Using microarray and chromatin immunoprecipitation data, we identified genome-wide PIF4 and PIF5 dependent shade regulated gene as well as putative direct target genes of PIF5. This revealed evidence for a direct regulatory link between phytochrome signaling and the growth promoting phytohormone auxin (IAA) at the level of biosynthesis, transport and signaling. Subsequently, it was shown, that free-IAA levels are upregulated in response to shade. It is assumed that shade-induced auxin production takes predominantly place in cotyledons of seedlings. This implies, that IAA is subsequently transported basipetally to the hypocotyl and enhances elongation growth. The importance of auxin transport for growth responses has been established by chemical and genetic approaches. To gain a better understanding of spatio-temporal transcriptional regulation of shade-induce auxin, I generated in a second project, an organ specific high throughput data focusing on cotyledon and hypocotyl of young Arabidopsis seedlings. Interestingly, both organs show an opposite growth regulation by shade. I first investigated the spatio-transcriptional regulation of auxin re- sponsive gene, in order to determine how broad gene expression pattern can be explained by the hypothesized movement of auxin from cotyledons to hypocotyls in shade. The analysis suggests, that several genes are indeed regulated according to our prediction and others are regulated in a more complex manner. In addition, analysis of gene families of auxin biosynthetic and transport components, lead to the identification of essential family members for shade-induced growth re- sponses, which were subsequently experimentally confirmed. Finally, the analysis of expression pattern identified several candidate genes, which possibly explain aspects of the opposite growth response of the different organs.

A role for homologous recombination proteins in cell cycle regulation.

Eukaryotic cells respond to DNA breaks, especially double-stranded breaks (DSBs), by activating the DNA damage response (DDR), which encompasses DNA repair and cell cycle checkpoint signaling. The DNA damage signal is transmitted to the checkpoint machinery by a network of specialized DNA damage-recognizing and signal-transducing molecules. However, recent evidence suggests that DNA repair proteins themselves may also directly contribute to the checkpoint control. Here, we investigated the role of homologous recombination (HR) proteins in normal cell cycle regulation in the absence of exogenous DNA damage. For this purpose, we used Chinese Hamster Ovary (CHO) cells expressing the Fluorescent ubiquitination-based cell cycle indicators (Fucci). Systematic siRNA-mediated knockdown of HR genes in these cells demonstrated that the lack of several of these factors alters cell cycle distribution, albeit differentially. The knock-down of MDC1, Rad51 and Brca1 caused the cells to arrest in the G2 phase, suggesting that they may be required for the G2/M transition. In contrast, inhibition of the other HR factors, including several Rad51 paralogs and Rad50, led to the arrest in the G1/G0 phase. Moreover, reduced expression of Rad51B, Rad51C, CtIP and Rad50 induced entry into a quiescent G0-like phase. In conclusion, the lack of many HR factors may lead to cell cycle checkpoint activation, even in the absence of exogenous DNA damage, indicating that these proteins may play an essential role both in DNA repair and checkpoint signaling.